基于水化学和氢氧同位素的兴隆县地下水演化过程研究

杨 楠，苏春利，曾邯斌，李志明，刘文波，康 伟

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质环境监测院，北京 100081)

兴隆县隶属河北省承德市，位于承德最南端，毗邻京津，是“环首都绿色经济圈”规划县之一，水源涵养、生态环境保护的意义和责任十分重大[1]。兴隆县供水水源主要为地下水，地下水资源较为丰富，近年来由于人口增多和经济发展，水源地水质和城镇供水安全受到一定程度的威胁[2]。《兴隆县水利发展“十二五”规划报告(2011—2015年)》显示，由于柳河、潵河流域经济不断发展，铁矿采选业迅速崛起，柳河流域水质由原来的Ⅱ类降为Ⅲ类，潵河水质由原来的Ⅲ类降为Ⅳ类。区域地下水利用多为傍河取水，其水质直接受河道水质影响，河水水质下降不仅直接影响当地居民的用水安全，也会对水源涵养区下游地下水水质产生重大威胁。

学者对于承德市的地下水环境进行了较多的研究，王玉杰[3]对承德地区的地下水进行了水位动态、水质动态和矿泉水动态等综合研究；多晓松等[4]对承德市多处锶型、偏硅酸型饮用天然矿泉水的成因与组分进行了研究；袁杰等[5]从不同方面分析研究承德地区地下水的补径排规律，深入研究了区域地下水的分布特征和动态变化趋势。相比之下，对于兴隆县的地下水研究较少，则研究该区域地下水补给来源以及主要的水-岩作用过程，对于理解区域地下水演化过程、饮用水安全以及合理利用县内地下水资源具有重要意义。

氢氧稳定同位素(δ18O和δD)是研究地下水来源及演化规律的理想天然示踪剂[6-8]，主要离子比值及Sr、Ca、Mg 等元素及其组合也广泛用于分析地下水的循环与演化过程，以及识别地下水化学组分的影响因素及水—岩作用程度等[9-12]。本文以兴隆县为研究区，通过地下水及地表水水化学类型、主要离子比值及氢氧同位素组成分析，深入讨论了区域地下水补给来源以及主要的水-岩作用过程，以期为区域地下水演化过程及水源涵养条件提供指示，从而为区域地下水污染防治和饮用水源安全提供技术支持。

1 研究区概况

兴隆县位于河北省东北部承德西南端，县内山高坡陡，沟谷纵横，地势总体上北高南低，东高西低，坡降悬殊，平均海拔约800 m，山地面积占90%以上，素有“九山半水半分田”之称。

兴隆县内地层岩性主要发育为太古界迁西群上亚群、元古界长城系、蓟县系、青白口系、古生界寒武系和奥陶系、中生界侏罗系以及第四系地层。区内构造发育，主要的大断裂构造为密云—喜峰口大断裂及其派生支断裂。碳酸盐岩类及碎屑岩类岩石是兴隆地质岩性的主体，分布范围广、面积大(图1)。本区地下水含水岩组可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、基岩裂隙水和隔水岩类五种类型。松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类裂隙岩溶水是本区主要的地下水类型。松散岩类孔隙水主要分布在山间河(沟)谷、山间盆(洼)地，含水层岩性主要为冲洪积砂、砾石、卵石层、亚砂土层。碳酸盐岩类裂隙岩溶水分布于兴隆县中部，整体贯穿于兴隆县东西，水量丰富，含水层岩性为白云岩、砂质白云岩、泥质白云岩、硅质白云岩和白云质灰岩等。

大气降水是本区最主要的地下水补给来源，地下水径流方向主要受地势控制，总体上由北向南、由西向东顺势径流，但是由于地形的差异，部分地区地下水的流向又具有局部多向性。岩浆岩变质岩类裂隙水主要以分散小泉或沿沟谷渗透为主要的排泄方式；碳酸盐岩裂隙溶洞水多以大泉集中排泄，或侧向径流排泄；松散岩类孔隙水以侧向径流排泄和人工开采为主要排泄方式。

区域属半湿润半干旱大陆性季风型山地气候，年内平均气温为7.8 ℃，年内降雨量具有明显的季节性差异，年均降水量为715.5 mm，降水多集中在6—8月份，3个月降水量占全年的71%；蒸发集中在4—8月，蒸发量占全年的63.9%，8月份降雨量与蒸发量持平。

图1 研究区采样点及地下水类型分布Fig.1 Distribution of the sampling points and groundwater types in the study area

2 样品采集与测试

2019年6—9月对兴隆县地区的地下水和地表水进行了系统采样，共采集地表水样5件，地下水样72件。现场测定的指标包括水温、pH值、电导率等，碱度在24 h内用滴定法测定。样品采集于干净的高密度聚乙烯瓶中，取样前，用待取水样润洗采样瓶3次。采集的水样经0.45 μm滤膜过滤后分别用于主要离子、微量元素以及稳定同位素分析。用于金属元素分析的水样加硝酸(优级纯)酸化至pH<2。

实验室内分别采用离子色谱仪(ICS-1100)和电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES ICAP 6300)测定阴、阳离子；微量元素采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS Aglilent 7700)测试。所有元素分析误差控制在5% 以内，测试精度为±0.001 mg/L。氢氧同位素(D和18O)采用IWA-35-EP型液态水同位素分析仪测定。上述分析在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室完成。

3 结果与讨论

3.1 水化学特征

兴隆县地下水pH变化范围为7.3～8.64，平均值为8.01，呈弱碱性。TDS变化范围为52.2～556.8 mg/L(表1，图2)，平均值为238.0 mg/L。地表水pH的变化范围是8.02～9.00，平均值为8.50；TDS范围为126.5～723.8 mg/L，平均值是311.1 mg/L(表1)。

图2 兴隆县地下水和地表水Durov图Fig.2 Durov diagram of the groundwater and surface water samples in the Xinglong County

区域地下水Sr2+含量为0.04～6.2 mg/L，其中26件水样Sr2+含量超过0.20 mg/L，占水样总数的36%，16件水样Sr2+含量超过0.40 mg/L，占水样总数的22%。富锶地下水主要分布在兴隆县的东部和南部，西部地下水样的Sr2+浓度普遍低于0.2 mg/L。区域西部基岩多为纯碳酸盐岩区，而东部碳酸盐岩下伏侵入岩脉、南部分布一套古老变质岩，据此推测地下水Sr2+浓度的差异和富锶地下水的形成可能与侵入岩脉和变质岩分布有关。

表1 地下水和地表水主要水化学指标统计

3.2 地下水补给来源

图3 承德县地下水及地表水δD和δ18O值关系Fig.3 Plot of δD-δ18O in groundwater and surface water samples

δD和δ18O可以指示地下水和地表水补给来源及演化规律[6]。研究区大部分地下水和地表水的稳定同位素δD和δ18O含量变化范围较小，分布集中，地下水δD为-69.9‰～-55.1‰，δ18O为-10.7‰～-8‰(表2，图3)。当地大气降水线[16](LMWL:δD=6.81δ18O+1.656)斜率小于全球大气降水线[17](GMWL:δD=8δ18O+10)，说明在降雨过程中雨水受到蒸发作用发生同位素分馏。地下水样分布于当地大气降水线附近，表明当地大气降水为地下水主要补给来源。同位素组成的变化可能是区域和当地气候变化的结果，或者由于局部过程的综合作用，例如蒸发作用、选择性渗透、地表水补给、植被分布以及人为作用等[18-19]。选择性渗透即水流通过优先通道直接渗透补给地下水，而不改变补给雨水的同位素组成；蒸发作用造成同位素分馏使得地下水富集重同位素[15]。研究区地下水样主要分布在LMWL的右侧，且偏离较小，δD和δ18O同位素组成线性方程为δD=5.96δ18O-7，斜率(5.96)与当地大气降水线(6.81)相近，指示蒸发效应对地下水的影响较小。除地表水样品位于当地大气降水线的下方，相比地下水样品同位素富集，说明地表水主要受降水补给，受到蒸发作用的影响较地下水大。

氘盈余参数d值(d=δD-8δ18O)主要受空气相对温度控制，蒸发是影响氘盈余值大小的一个重要因素，蒸发作用越强，氘盈余值越偏负[20-21]。该区域地下水氢氧同位素d值分布在7.6‰～15.7‰，平均值为11.8‰，与全球大气降水平均d值(10‰)相近，表明地下水主要受水岩作用影响，沿地下水流方向同位素交换反应增强，发生“氧漂移”，d值减小，同时d值减小也表现出地下水受蒸发作用的影响。

表2 兴隆县地下水及地表水氢氧同位素分析结果

图4 研究区地下水和地表水中δ18O的变化(a)和Cl-与δ18O的关系(b)Fig.4 Distribution of δ18O in water samples (a) and relationships of Cl- and δ18O (b) in the study area

结合区域地形和水文地质条件来看，沿地下水总体区域径流方向，即从北向南、由西向东，地下水同位素趋向于富集(图4)。西部、北部地区地势相对较高(高程大于700 m)，沿地下水径流方向，水-岩相互作用越来越强烈，地下水中的18O逐渐富集[22]。Cl-作为保守元素，浓度会随着蒸发作用而富集，研究区水样中Cl-与δ18O之间的关系进一步说明，蒸发作用对区域地下水的影响较小。2XL-05(δD和δ18O的值分别为-61.5‰和-9.4‰)、2XL-09(δD和δ18O的值分别为-64.2‰和-9.6‰)和2XL-18(δD和δ18O的值分别为-64.4‰和-9.3‰)3处采样点均处于兴隆大断裂处(图4)，同位素特征近似，水化学类型均为HCO3—Ca·Mg，说明三者之间可能由于断裂的连通作用而存在水力联系。采样点XL-02(井深3.58 m，δD和δ18O分别为-55.1‰和-8‰)和XL-03(井深150 m，δD和δ18O分别为-55.9‰和-8.4‰)的同位素特征非常接近，表明不同深度的含水层之间存在密切的水力联系。

3.3 水-岩作用演化过程

地表水和地下水中的主要离子和TDS平均浓度高度一致，这表明区域地表水和地下水水化学组分来源具有同源性[12](图5)。

图5 地下水与地表水各组分平均浓度Fig.5 Average solute concentrations of groundwater and surface water samples

图6 研究区地下水及地表水Gibbs图(a)和HCO3- /Na+与Ca2+/Na+关系图(b)Fig.6 Gibbs graph showing water samples (a) and relationships of Ca2+/Na+ and HCO3-/Na+ (b) in the study area

图7 地下水不同矿物饱和指数与TDS的关系Fig.7 Relationship between mineral saturation index and TDS in groundwater

4 结论

(3)地下水和地表水的主要来源是大气降水。地下水水化学组分主要受岩石风化作用的影响，主要受碳酸盐岩如方解石、白云石的风化溶解影响，蒸发作用对地下水水化学组分的影响较小。锶含量分析表明，区域西部纯碳酸盐岩分布区的Sr2+浓度普遍低于区域东部和南部碳酸盐岩下伏侵入岩脉分布区，说明本区地下水中Sr2+富集还受到侵入体中矿物质的影响。

图8 兴隆县地下水及地表水rNa+ /rCa2+(a)与rMg2+ /rCa2+(b)关系图Fig.8 Relationships of Na+ and Ca2+(a) and Mg2+ and Ca2+(b) in the study area